PIEZOLIGHT

Depuis de nombreuses années, la société de consommation ne cesse d'accroître et l’importance de posséder des biens matériels devient vitale ce qui a engendré, par la même occasion, une grande consommation d’énergies, aujourd’hui, devenues non renouvelables. Ainsi, c’est la raison pour laquelle les énergies renouvelables sont devenues la “solution” à cette crise d’énergies non-renouvelables.

Notre projet agit comme une énergie renouvelable puisqu’elle implique une conversion d’énergie passant de l’énergie mécanique à l’énergie électrique. Or, des simples pas que l’on émet pour nous déplacer, il suffirait de marcher sur une plaque piézoélectrique afin de générer de l’électricité sur un endroit déterminé pendant une durée déterminée. Cette énergie peut être utilisée de manière différente : éclairer un endroit, recharger un appareil électronique ou selon vos envies et de ce que vous souhaitez faire de cette énergie électrique.

Pour la réalisation, nous nous sommes inspiré du projet des étudiants de licence en 3e année de génie urbain de l’année 2020 (nous sommes 5 étudiants de l'année 2023 aujourd'hui) et de “pavegen systems”, une entreprise britannique qui crée depuis 2009 des dalles piézoélectriques en caoutchouc (pneus de camion recyclés) afin d’éclairer de nombreux endroits stratégiques dans le monde tels que des gares, des monuments touristiques et tout autre endroit très fréquentés. Effectivement, plus de personnes marchent sur la dalle, plus d’énergie électrique est générée en un temps précis. Cette technique piézoélectrique permet de récupérer l’énergie transmise par le poids de la personne au sol (énergie mécanique) générant ainsi de l’électricité (énergie électrique).

Ainsi, cette invention ingénieuse nous a donné envie de la réaliser !

L’entreprise britannique “pavegen systems” est une entreprise commerciale qui vend ses dalles piézoélectriques à travers le monde. Comme les restaurants, elle ne donne pas sa super recette ! Alors nous avons dû trouver des méthodes de fabrication ailleurs. Et nous avons trouvé une bonne méthode de fabrication réalisée par Guilhem Moutin, ce qui nous a permis de réaliser notre version de la plaque.

Cependant, il est important de comprendre le système piézoélectrique. Le plaque piézoélectrique est une plaque où sont répartis plusieurs capteurs piézoélectriques et ce sont ces capteurs qui reçoivent l'énergie mécanique lorsqu'on appuie dessus et la transforme en énergie électrique. L'objectif est de pouvoir concevoir cette plaque de manière à ce qu'elle émet suffisamment d'énergie électrique pour pouvoir alimenter une lampe et éclairer un endroit notamment la nuit.

Pour la réalisation, nous avons utilisé le matériel suivant : 

• Planche en bois de 26x24cm 
• 12 capteurs piézoélectriques 
• Du scotch et du double face 
• Pistolet à colle
• 12 petits cylindres d’un diamètre de 1 cm
• 4 ressorts
• Une planche en bois plus fine de la même dimension
• 1 led
• 1 capteur de luminosité (photorésistant)
• 4 petites planches de 4cm de hauteur dont 2 de 26,5 cm de longueur et 2 de 24,5 cm de longueur (correspondant aux contours)
• 4 planches de 6cm de hauteur dont 2 de 19cm et 2 autres de 13 cm
• 2 planches de 21,5 cm de longueur et 13 cm de largeur
• 1 ampoule avec un fil de lampe interrupteur
• 1 carte Arduino
• 1 breadboard
• Des petits câbles

Premièrement, il faut simuler le projet en essayant de connaître la pression minimum d'un capteur piézoélectrique. Nous avons donc utilisé les logiciels Arduino et Tinkercad, nous avons créé une simulation par un enchainement de codes et nous avons obtenu une valeur de 1013 sur Arduino. (Image 1)

Ensuite, toujours dans la simulation, nous avons essayé de voir avec les mêmes logiciels mais par la création d'un second code si le capteur piézoélectrique pouvait allumer une led et le code a fonctionné. (Image 2)

Pour finir, nous avons terminé cette simulation en rajoutant un capteur de luminosité photorésistance en réalisant directement le circuit en réel mais toujours avec le logiciel Arduino et le circuit mis en place à permis d'allumer la led et ça a fonctionné. (Image 3)

Après avoir simulé notre projet, nous passons au prototype de notre plaque piézoélectrique. Nous prenons ce que nous trouvons à l'atelier et nous essayons de créer approximativement la plaque pour vérifier le fonctionnement. Dans une plaque en bois de 28x26 cm, nous disposons 12 capteurs piézoélectriques dans un rayon 4x3 afin de bien les répartir. Pour les disposer de cette manière, nous réalisons les traits directement sur la plaque en bois avec une règle et un crayon (à l'ancienne quoi !). (Image 1)

Une fois disposés, nous avons branché les capteurs en série, puisque la méthode de fabrication par Guilhem Moutin montrait qu'il était préférable de brancher les capteurs en série pour avoir une meilleure puissance. Cependant, pour que la plaque génère de l'électricité, il faut que la planche en bois touche les capteurs, mais comme les capteurs ont une fixation pour tenir les fils et pouvoir les brancher entre eux, il ne faut pas que la planche en bois touche la fixation et casse le capteur à cause de la pression qui sera exercée dessus. (Image 2)

Afin d'éviter ce désagrément, nous avons décidé de créer 12 petits cylindres de 1 cm de diamètre, dessiné sur le logiciel fusion 360 et Inskape (image 3 et 4), afin de pouvoir les coller sur les capteurs avec du double face (pour qu'ils soient tous de la même hauteur, c'est très important puisque les capteurs sont branchés en série donc la planche en bois faut qu'elle puisse toucher tous les capteurs). De cette manière, la planche en bois sur laquelle sera exercée la pression touchera directement les cylindres et donc les capteurs, sans toucher les fixations du branchement des capteurs. 

Nous commençons l'assemblage. Les capteurs et leurs cylindres (collées avec du double face à l'étape précédente) doivent être répartis sur la planche à leur emplacement dessiné précédemment. Pour les coller à la plaque, il faut utiliser du scotch que l'on applique uniquement sur les fils. (ATTENTION, on ne colle pas les capteurs avec de la colle, ils tiendront en place seulement avec le scotch sur les fils). (Image 1)

Ensuite, nous plaçons 4 ressorts au 4 coins de la planche que nous allons coller avec de la colle chaude.

Et on dépose une planche en bois, de la même dimension mais plus fine, au dessus de nos ressorts et on test ! (Image 2)

Pour tester, nous branchons les capteurs à un voltmètre. (Image 3)

Lorsqu’une personne marche sur la plaque, on observe un pic de tension d’un ordre de grandeur d'environ 1100mV aux bornes du circuit. C’est insuffisant pour allumer une led ou une lampe. En prenant en compte la quantité d’énergie récupérée assez faible, il faut réfléchir à une nouvelle utilisation de la plaque. Cependant, l’énergie électrique émise est plus forte lorsque l’on émet un poids vif (un choc) plutôt qu’un poids constant. La plaque peut éventuellement être utilisée en tant qu'interrupteur pour allumer une lampe. Pour cette deuxième solution, il faudra connecter la plaque à un courant électrique et créer alors un programme pour que la lumière s'allume seulement quelques secondes uniquement la nuit lorsqu'on marche sur la plaque.

Pour réaliser notre objectif, nous sommes passés au codage en réalisant un nouveau programme Arduino en vue du fonctionnement de la plaque comme un détecteur de présence qui allume un système d’éclairage couplé à un capteur de luminosité. Le programme a été débuté en simulant le futur circuit électrique relié à une carte Arduino sur le logiciel Tinkercad. (Image 1)

Remise au propre du prototype n°1 :

En parallèle, nous avons réalisé un deuxième prototype augmenté de quatre planches latérales pour guider la plaque supérieure. Coller les ressorts sur les deux planches principales afin que la planche du haut ne dévie pas, et arranger l'emplacement des capteurs. (Image 2, 3 et 4)

La plaque fera à présent 26x24cm et non plus 28x26cm. On prend en mesure les dimensions des plaques latérales. (( 27x4)x2)+(24,6 x 4)x2).

Perçage de l’une des planches latérales pour accéder aux câbles et permettre le branchement de la plaque. (Image 6)

A cet instant, nous fait fonctionner la plaque en tant que capteur de pression sans le capteur de luminosité en affichant sur le moniteur les valeurs relevées.

 La plaque fonctionne comme un capteur de pression qui renvoie différentes valeurs à la carte arduino. Pour allumer la lampe lorsqu’une personne marche dessus, la condition qui est indiquée sur le code Arduino prend la forme d’un seuil de valeur à dépasser égal à 1000.

Le capteur de luminosité fonctionne de la même manière, mais cette fois-ci la valeur renvoyée doit être inférieure au seuil qui est de 500.

Ainsi, la commande pour allumer la lampe doit être envoyée à la double condition que la plaque renvoie une valeur supérieure à 1000 et le capteur de luminosité une valeur inférieure à 500. 

Le code final est celui-ci :

int capteurP;

int capteurL;

void setup() {

  Serial.begin(9600);

  pinMode(7, OUTPUT);

  pinMode(5, OUTPUT);

  pinMode(2, OUTPUT);

  }

void loop() {

  capteurP= analogRead(A5);

  capteurL= analogRead(A4);

  Serial.print("piezo :");

  Serial.println(capteurP);

  Serial.print("lum : ");

  Serial.println(capteurL);

//long int map (0,1024,1,5); 

  if ( capteurP>1000 && capteurL<500){

    /*digitalWrite(7, HIGH);

    delay(5000);

    digitalWrite(7, LOW);*/

    digitalWrite(2, HIGH);

    delay(5000); // Wait for 1000 millisecond(s)

    digitalWrite(2, LOW);

  }

  else {

    }

}

Après une recherche sur le mode de fonctionnement du module relais sur un système Arduino, nous avons commencé l'assemblage de la carte Arduino et de la breadboard pour la brancher au courant par le relais. (Image 1)

Tout d’abord, un module relais est un composant électronique qui permet de commander une charge électrique à distance en utilisant un signal électrique de faible puissance.

Un relais est un composant qu’on pourrait comparer à une interrupteur : il peut soit laisser passer le courant, soit ne pas le laisser passer. 

Sur notre projet, on l'utilisera pour baisser la tension de 220v à 5v. (Image 2 et 3)

Ensuite, nous avons pris une ampoule et un câble avec interrupteur pour pouvoir avoir une prise et le brancher au courant. Pour la brancher au relais, nous avons couper le fil et nous l'avons ouvert, puis nous avons pris le fil rouge pour le brancher sur le + et nous en avons coupé pour pouvoir faire le lien entre le fil rouge qui est branché au relais et le fil bleu qui est branché à l'ampoule. (Image 4)

N'oubliez pas de rajouter du scotch pour pouvoir tenir tout ça en place ! (Image 5)

L'interrupteur du fil de la lampe nous sert de sécurité pour envoyer le courant dans le relais quand on l'active sur le +. (Image 6)

Pour finir, nous branchons la pile à la carte Arduino pour pouvoir alimenter la carte. (Image 7)

Réalisation d'une boite en bois pour cacher le câblage avec 4 planches de 6cm de hauteur dont 2 de 19cm et 2 autres de 13 cm ainsi que de 2 planches pour le fond et le haut de la boite de 21,5 cm de longueur et 13 cm de largeur préalablement découpées. (Image 1 et 2)

Ensuite, nous avons fait des trous pour pouvoir faire passer les câbles de la plaque et de la lampe pour la brancher. (Image 3 et 4)

Nous avons utiliser la logiciel Inskape pour découpé sur Fusion 360 le diamètre de l'ampoule pour l'installer sur le haut de notre boite. (Image 5)

Puis, nous avons ranger le câblage dans la boite. (Image 6)

Afin de proposer un joli prototype, nous avons imprimé des empreintes de pieds pour les coller sur notre plaque. Les empreintes de pieds ont été préalablement faites sur Inskape.

Nous avons pu brancher tous les câbles et essayez notre projet : Voici l'invention !

Nous tenons à exprimer toute notre reconnaissance à nos professeurs Mme. Flavie Ferchaud et M. Thomas Feminier en les remerciant de nous avoir encadré, orienté, aidé et conseillé.

Nous désirons aussi remercier l'ensemble de l'équipe du FabLab Descartes, M. Thomas Feminier et M. Antoine Pawlak-Bagorski, de nous avoir permis d'acquérir de nombreuses compétences, de travailler et de réaliser notre projet auprès d'eux en ayant l'agréable gentillesse de nous soutenir.

Puis, nous tenons également à remercier la Maison de l'Entreprise Innovante de nous avoir ouvert ses portes et son Fablab.

Réalisé par 5 étudiants de licence en 3e année de génie urbain à l'université Gustave Eiffel à Champs-sur-Marne; Lauryne Martins, Paul Marx, Luca Ciocotisan, Yanis Akli et Bao Quan Nguyen.